Tiden er den fjerde dimension

Ajaako aika fysiikan lakien ohi?

Sadan viimeksi kuluneen vuoden aikana suhteellisuus­teoria ja kvanttimekaniikka ovat niittäneet kunniaa kerta toisensa jälkeen. Samalla arkinen aikakäsitys on alkanut tuntua epätieteelliseltä. Fysiikan teorioiden mukaan ajalla ei ole suuntaa eikä menneellä, nykyisellä ja tulevalla ole eroa muutoin kuin ihmisen mielessä. Nyt kaksi fyysikkoa on luonut teoriat, jotka palauttavat meille nykyhetken ja ajan kulun.

Shutterstock

1. Gravitaatioaallot luovat nykyisyyden uudelleen

Kello oli yhdeksää vaille kuusi aamulla, kun LIGO-ilmaisinta seuraavat tutkijat Yhdysvalloissa huomasivat, että Maa tärisi. Kukaan muu ei havainnut tärinää, sillä järistys oli niin heikko, että ilmaisimen peilit liikahtivat vain noin atomin halkaisijaa vastaavan matkan.

Liikahdus oli kuitenkin sen verran iso, että ilmaisin huomasi peilien välillä heijastuvan laservalon siirtyneen. Fyysikoille liikahdus oli jättiläisaskel, joka teki syyskuun 14. päivästä 2015 historian virstanpylvään.

Tärinä oli juuri sitä, mitä fyysikot olivat olettaneet tapahtuvan, kun kaksi mustaa aukkoa jossain kaukana avaruudessa nielaisee toisensa.

Sata vuotta aiemmin, 1915, Albert Einstein oli ennustanut yleisessä suhteellisuusteoriassaan, että sellaisesta tapahtumasta syntyy niin sanottuja gravitaatioaaltoja, jotka kulkevat läpi maailmankaikkeuden. Tärinä, jonka LIGO-ilmaisin havaitsi, oli juuri tällaisten aaltojen aikaansaannos.

Kun uutinen LIGOn havainnosta levisi maailmalle, fyysikot riemuitsivat, sillä suhteellisuusteoria oli saanut taas yhden vahvistuksen. Myös professori Richard Muller iloitsi. Hän toimi tuolloin Kalifornian yliopistossa ja kirjoitti kirjaa teoriastaan, jota hän nimitti ”ajan fysiikaksi”.

Muller tosin iloitsi eri syistä kuin useimmat hänen kollegoistaan. Vaikka hän tietysti kunnioittaa suuresti Einsteinin suhteellisuusteoriaa, siinä on yksi kohta, joka häntä kiusaa. Mullerin mukaan teoriasta seuraa se, että maailmankaikkeudessa ei ole ”objektiivista nykyhetkeä”, ja siitä taas seuraa, että menneisyyden ja tulevaisuuden välillä ei ole eroa. Tämä puolestaan on pahasti ristiriidassa sen kanssa, miten ihminen arkijärjellään kokee todellisuuden.

Muller yrittääkin ajan fysiikan teoriallaan palauttaa maailmaan kaikille yhteisen nykyisyyden. Juuri gravitaatioaaltojen vaikutukset voivat vahvistaa hänen teoriansa. Siksi Muller tuskin malttoi odottaa pääsevänsä käsiksi LIGOn tuloksiin.

Muller ei ole suinkaan ainoa tutkija, joka yrittää päästä jyvälle ajasta. Tutkimuksen suuri kysymys kuuluu: onko ajan kulku objektiivinen suure, vai onko se vain tapa, jolla ihminen käsittää todellisuuden?

  • Fysikeren John Wheeler

    "Aika on luonnon keino estää se, että kaikki tapahtuisi yhdellä kertaa"

    Fyysikko John Wheeler (1911-2008). Ironinen kommentti siihen, miten vaikeaa on selittää aika kielen keinoin käyttämättä sanaa ”aika”.

2. Höyrykone antoi ajalle suunnan

Kun lattialla lojuvat posliinin sirpaleet yhtäkkiä hakeutuvat yhteen kahvikupiksi, joka hyppää ihmisen käteen, katsoja tietää, että kyseessä ei ole todellisuus vaan filmi, joka kulkee takaperin.

Kokemuksemme kertoo, että tapahtumasarja on mahdoton. Sen sijaan on aivan luonnollista, että kahvikuppi putoaa kädestä ja hajoaa kappaleiksi osuessaan lattiaan.

Ihmisen arkinen käsitys ajasta sanoo, että aika voi kulkea vain eteenpäin. Kulunut aika on menneisyyttä, johon ei voi enää vaikuttaa. Tehtyä ei saa tekemättömäksi. Korkeintaan voimme yrittää liimata kupin sirpaleet takaisin yhteen. Tulevaisuus sen sijaan on täynnä mahdollisuuksia. Ihminen voi vaikuttaa tuleviin tapahtumiin juuri siksi, että ne eivät ole vielä tapahtuneet. Niiden suhteen meillä on vapaa tahto, mahdollisuus vaikuttaa siihen, mitä tapahtuu.

Menneisyyden ja tulevaisuuden välillä on siis huomattava ero, ja niiden välinen raja on nykyhetki eli ”nyt”. Ajan suunta selitettiin tieteellisesti vasta 1800-luvulla. Sitä ennen ei tunnettu teoreettista fysiikan lakia, joka olisi estänyt aikaa kulkemasta vaikkapa takaperin.

Aika sai suunnan, kun keksittiin fysiikan osa-alue nimeltä termodynamiikka. Sen taustalla oli käytännön tarve. 1800-luku oli kiivaan teollistumisen aikaa, ja insinöörit kehittivät kilvan tehokkainta mahdollista höyrykonetta. Tarvittiin keino saada höyrykoneeseen lapioidusta hiilestä irti mahdollisimman paljon energiaa pyörittämään koneen mäntiä ja pyöriä.

Energia voi esiintyä monessa muodossa, esimerkiksi liikkeenä, valona ja lämpönä. Liike-energia voidaan muuttaa esimerkiksi lämmöksi. Näin käy muun muassa silloin, kun auto jarruttaa niin, että se pysähtyy kokonaan. Sen sijaan lämpöä ei voi muuttaa suoraan liike-energiaksi. Syynä on se, että lämpö eroaa muista energiamuodoista.

Lämpöenergiassa atomien liike on sattumanvaraisinta ja kaoottista. Lämpö on epäjärjestyksen äärimmäinen aste. Osa lämmöstä voidaan muuttaa muiksi energiamuodoiksi, mutta ei kaikkea.

Atomien liikkeen epäjärjestystä kutsutaan myös entropiaksi. 1850-luvulla tutkijat oivalsivat, että suljetussa järjestelmässä, johon ei kohdistu ulkopuolista vaikutusta, entropian eli epäjärjestyksen määrä kasvaa luonnostaan ajan mittaan. Asian voi ilmaista myös toisin: aika on kehitystä järjestyksestä epäjärjestykseen.

Käsite ”yhtä aikaa” ei kestä etäisyyttä

Erityisen suhteellisuusteorian mukaan aika muuttuu, kun sen kokija on liikkeessä. Siksi aika ei ole sama, kun kokijoiden välillä on suuri etäisyys.

  • ARJEN AIKA: "nyt" on sama kaikille

    Samaan aikaan, kun sinä luet Tieteen Kuvalehteä Maassa, avaruusolio lukee kirjaa kaukaisessa galaksissa. Nämä tapahtumat ovat samalla ”nyt-linjalla”.

  • SUHTEELLINEN AIKA: "nyt" riippuu kokijasta

    Jos avaruusolio lähtee pyöräilemään sinua kohti, sen ”nyt-linja” muuttuu. Sen ”nyt” onkin yhtäkkiä samalla linjalla sinun menneisyytesi tapahtumien kanssa.

    Jos taas avaruusolio pyöräilee poispäin sinusta, sen ”nyt-linja” onkin samalla linjalla sellaisten tapahtumien kanssa, jotka ovat sinun tulevaisuudessasi.

3. Alkuräjähdyksessä kaikki oli järjestyksessä

Ajan suunnan määritys sisältyy niin sanottuun termodynamiikan toiseen pääsääntöön. Sen mukaan eristetyn järjestelmän entropia voi kasvaa mutta ei koskaan vähetä. Tämä pääsääntö selittää monia arkitodellisuuden ilmiöitä.

Jos otamme kaapista toisen kupin ja sen sijaan, että pudottaisimme sen lattialle, kaadamme siihen kahvia ja lorauksen maitoa, näemme, miten entropia kasvaa. Kuuma musta kahvi ja kylmä valkoinen maito­sekoittuvat haaleaksi vaaleanruskeaksi nesteeksi. Järjestys muuttuu epäjärjestykseksi.

Laki entropian lisääntymisestä antoi ajan luonteelle selityksen, joka vastaa ihmisen arkiymmärrystä. Se sopii myös klassiseen käsitykseen ajasta akselina tai janana, jolle voi asettaa tapahtumia järjestykseen.

”Aika on luonnon keino estää se, että kaikki tapahtuisi yhdellä kertaa.” Näin asian on ilmaissut yhdysvaltalainen fyysikko John Wheeler.

Wheelerin määritelmä on tietysti vitsi. Kun sitä ajattelee vähänkin tarkemmin, huomaa, että siinä ei ole järkeä. ”Yhdellä kertaa” on pohjimmaltaan sama asia kuin ”yhtä aikaa”, joka jo sisältää ajan käsitteen. Wheeler siis määrittelee ajan käsitteen ajan käsitteellä, mikä tekee koko määritelmän tyhjäksi.

Wheeler on itse kertonut, että hän on lainannut kuuluisan määritelmänsä vessan seinässä näkemästään kirjoituksesta. Oli miten oli, lause on oivallinen esimerkki siitä, miten hankalaksi kielen rajoitukset tekevät ajan kaltaisen ilmiön käsittelyn.

Ajatus siitä, että aika on kehitystä järjestyksestä kohti epäjärjestystä, edellyttää, että ajalla on alku. Kehityksellä on täytynyt olla lähtökohta, jossa vallitsi jonkinlainen järjestys. Tähän ajatusmalliin sopii hyvin se malli maailmankaikkeuden synnystä ja kehityksestä, jota useimmat tutkijat nykyään kannattavat. Alkuräjähdysteoria antaa maailmankaikkeudelle ja ajalle alun.

Aluksi kaikki oli kerääntynyt yhteen pisteeseen, jossa kaikki oli täydellisessä järjestyksessä. Sen jälkeen 13,8 miljardin vuoden aikana maailmankaikkeus on kasvanut nykykokoonsa ja yhä suurempi osa alkuperäisestä energiasta on muuttunut lämmöksi.

Jos maailmankaikkeus olisi ollut olemassa aina ja aika olisi loputtoman pitkä, kaikki energia olisi jo kauan sitten muuttunut lämmöksi eikä jäljellä olisi pölypilviä, galakseja, tähtiä eikä planeettoja. Kaikki maailmankaikkeuden massa olisi ajautunut mustiin aukkoihin ja muuttunut säteilyksi ja lopulta lämmöksi. Vielä näin ei ole käynyt, mutta joskus kaukana tulevaisuudessa kaikkeudelle voi hyvinkin käydä niin.

Massan muuttuminen energiaksi käy ilmi Einsteinin kuuluisasta yhtälöstä E = mc2, jossa E on energia, m on massa ja c on valon nopeus. Einstein muotoili yhtälön vuonna 1905, kun hän kirjoitti erityisen suhteellisuusteoriansa, joka antoi uuden käsityksen siitä, mitä aika on. Samalla se toi esiin merkillisiä ilmiöitä, jotka eivät tahdo sopia ihmisen arkiymmärrykseen.

Nopeus ja kiihtyvyys jarruttavat aikaa

Einsteinin suhteellisuusteorian mukaan avaruusmatkalla oleva kaksonen nuortuu Maassa pysyvään kaksoseensa verrattuna.

Liisa lähtee matkaan...

Kaksoset Lasse ja Liisa ovat 8-vuotiaita. Liisa lähtee matkalle Alfa Kentauri -tähteen, joka on neljän valovuoden päässä Maasta. Sisaruksille tulee tietysti ikävä – etenkin Lasselle, joka joutuu olemaan erossa Liisasta kauemmin kuin Liisa Lassesta.

... ja lentää niin kovalla nopeudella...

Liisa on matkalla, ja aika kuluu. Koska hänen vauhtinsa on 80 prosenttia valon nopeudesta, aika kuluu hänelle hitaammin kuin Lasselle. Näin esittää Einsteinin erityinen suhteellisuusteoria. Lisäksi Einsteinin yleinen suhteellisuusteoria sanoo, että aika hidastuu, kun kiihtyvyys kasvaa.

... että hän nuortuu suhteessa kaksoisveljeensä

Kun Liisa palaa matkaltaan, hän on ikääntynyt kuusi vuotta, eli hän on 14-vuotias. Lasse on 18-vuotias, koska Maassa on kulunut 10 vuotta. Liisan kannalta katsottuna Liisa on siis matkustanut neljä vuotta tulevaisuuteen.

4. Pitkä ja nopea matka pidentää ikää

Kaksoset Lasse ja Liisa ovat syntyneet samana päivänä, mutta Lasse voi silti olla neljä vuotta vanhempi kuin Liisa. Vaikka tilanne kuulostaa mahdottomalta, se voi olla täyttä totta, jos suhteellisuusteoria pitää paikkansa.

Tosin edellytyksenä on se, että Liisa tekee matkan lähimmälle naapuritähdellemme ja palaa takaisin – ja hänen rakettinsa taittaa kahdeksan valovuoden matkan vauhdilla, joka on 80 prosenttia valon nopeudesta.

Einsteinin erityinen suhteellisuusteoria vuodelta 1905 kertoo, että aika muuttuu, kun olemme liikkeessä. Liikkeessä olevan aika kuluu hitaammin kuin paikallaan olevan. Siksi Liisa ikääntyy hitaammin kuin kaksosveljensä, joka jää odottamaan Maan päälle.

Lisäksi Einsteinin yleinen suhteellisuusteoria vuodelta 1915 kertoo, että myös painovoima saa ajan kulun hidastumaan. Painovoima vaikuttaa samalla tavalla kuin kiihtyvyys. Kiihtyvyys tuntuu esimerkiksi hississä, kun mennään ylöspäin: kun hissi kiihdyttää, ensin tuntuu kuin painovoima olisi tavallista vahvempi.

Avaruusraketti kiihdyttää Liisaa niin rajusti, että sen vaikutus on paljon suurempi kuin Lassen Maan pinnalla kokeman painovoiman. Liisaan vaikuttaa siis kaksi voimaa, jotka hidastavat ajan kulkua. Siksi matka Alfa Kentauriin ja sieltä takaisin kestää hänen näkökulmastaan vain kuusi vuotta, vaikka Lassen mielestä hän on poissa kymmenen vuotta. Voidaan sanoa, että palatessaan Maahan Liisa matkustaa neljä vuotta tulevaisuuteen.

Lassen ja Liisan kokemus on tietysti pelkkä ajatusleikki. Ihminen ei ainakaan pitkään aikaan pääse matkustamaan sellaisella nopeudella, että ajan suhteellisuus olisi havaittavissa noin selvästi, mutta se vaikuttaa silti elämäämme koko ajan. GPS-satelliittipaikannusjärjestelmä, joka näyttää meille, missä kohtaa maapallon pintaa olemme, perustuu Maata kiertävien satelliittien lähettämiin tarkkoihin aikasignaaleihin.

Satelliiteissa oleviin atomikelloihin vaikuttavat samat voimat kuin Liisaan. Satelliitit ovat liikkeessä meihin Maan pinnalla oleskeleviin nähden. Siksi niissä kellot käyvät hitaammin kuin Maan päällä. Ero on seitsemän mikrosekuntia vuorokaudessa. Lisäksi satelliitit ovat kauempana Maan massakeskipisteestä kuin me, ja siksi painovoima vaikuttaa niihin vähemmän kuin meihin. Se taas saa satelliittien kellot kulkemaan nopeammin kuin Maan päällä. Ero on tarkalleen 45 mikrosekuntia vuorokaudessa.

Voimien yhteisvaikutus on se, että satelliittien kellojen aikaa on korjattava 38 mikrosekuntia vuorokaudessa. Jos aikaa ei korjattaisi, GPS-paikannin näyttäisi sijainnit väärin ja poikkeama kasvaisi yli kymmenen kilometriä vuorokaudessa.

Suhteellisuusteoria tekee ajasta joustavan suureen, joka muuttuu sen mukaan, missä sen kokija on ja miten nopeasti hän liikkuu. Syy ajan joustavuuteen on se, että valon nopeus tyhjiössä on vakio: tarkalleen 299 792 458 metriä sekunnissa. Se on myös suurin mahdollinen nopeus, jolla maailmankaikkeudessa mikään voi liikkua.

Valon nopeuden merkitys ajalle nähtäisiin, jos Liisalla olisi mukanaan avaruusraketissa erikoisrakenteinen kello, jossa fotoni kulkee ylös alas kahden peilin välissä. Ennen lähtöä fotonin matka peilien välillä on esimerkiksi yksi metri. Kun raketti lähtee matkaan, tilanne muuttuu. Jos rakettia ja kelloa tarkastellaan ulkoa, näyttää siltä, että fotonin on tehtävä pidempi matka, koska peilit liikkuvat raketin mukana. Yhden metrin sijaan fotonin matka onkin ehkä kaksi metriä.

Kun tiedetään, että valon nopeus eli c = 299 792 458 metriä sekunnissa on vakio, siitä seuraa, että myös sekunnin on muututtava. Sen keston täytyy kaksinkertaistua, jotta yhtälö pitää paikkansa. Mitä nopeammin Liisa liikkuu, sitä pidempi matka fotonin pitää kulkea ja sitä pidemmäksi aika venyy.

5. Teoriassa aikamatka on mahdollinen

Einsteinin teoriat tekivät ajasta erottamattoman osan avaruutta. Maailmankaikkeus ei siis ole kolmiulotteinen tila, vaan se pitää nähdä neliulotteisena aika-avaruutena, jossa aika on samanlainen ulottuvuus kuin pituus, leveys ja syvyyskin.

Aika-avaruus ei ole muuttumaton, vaan se taipuu ja kaareutuu sitä mukaa kuin massalliset kappaleet liikkuvat siinä.

Ihmisen arkitodellisuudessa aika näyttäytyy kuitenkin erilaisena kuin tilaulottuvuudet. Tilaulottuvuuksissa liikkuminen on jokseenkin helppo hahmottaa, vaikkapa hississä tai matkalla kauppaan. Sen sijaan on vaikeaa kuvitella, että liikkuisimme aikaulottuvuudessa. Ihminen kokee olevansa kiinni nykyhetkessä.

Suhteellisuusteorian mukaan tulevaisuuteen on hyvinkin mahdollista matkustaa, kuten Liisa teki Alfa Kentaurista palattuaan. Sitä varten tarvitaan matka käsittämättömän kovalla nopeudella tai oleskelu äärimmäisen voimakkaassa painovoimakentässä, kuten mustan aukon lähistöllä, ja paluu lähtöpisteeseen.

Entä matka menneisyyteen? Einsteinin teoriat avaavat jännittäviä mahdollisuuksia myös sen osalta. Teoriassa aika-avaruus voi kaareutua niin paljon, että kaksi avaruuden aluetta, jotka ovat olleet kaukana toisistaan, kiertyvätkin yhteen.

Niiden välille voi syntyä yhteys, niin sanottu madonreikä. Mikäli tällaisia madonreikiä todella on olemassa, niiden kautta ei pääse vain paikasta toiseen vaan myös ajasta toiseen. Madonreikä voi siis mahdollistaa matkan menneisyyteen. Käytännössä se on vaikeaa, sillä teoriankin mukaan madonreiät ovat hyvin epävakaita ja niiden auki pitäminen vaatii suuria määriä vielä tuntematonta ainetta, jossa on negatiivista energiaa.

Jos madonreiän kautta matkustaminen olisi mahdollista, seurauksena voisi olla hyvin kummallisia tilanteita. Mitä tapahtuisi, jos ihminen matkustaisi menneisyyteen ja surmaisi isovanhempansa, ennen kuin nämä ovat synnyttäneet hänen vanhempansa.

Silloin ihmistä ei olisi olemassa eikä hän olisi voinut mennä menneisyyteen tekemään surmatyötään. Aikamatka sekoittaisi syy- ja seuraussuhteet, ja siksi matka menneisyyteen ei sovi yhteen arkiymmärryksen aikakäsityksen kanssa.

  • Fysikeren Albert Einstein

    "Meille, jotka uskomme fysiikkaan, ero menneen, nykyisen ja tulevan välillä on harhaa"

    Albert Einstein (1879-1955). Ote kirjeestä, jonka hän kirjoitti kuukautta ennen kuolemaansa.

6. Einstein pani lopun ajan kululle

Matka menneisyyteen madonreikien kautta on vain teoreettinen mahdollisuus, eikä Einstein uskonut, että madonreikiä on oikeasti olemassa, vaikka ne periaatteessa sopivat hänen teoriaansa.

Sen sijaan Einstein pohti vakavasti suhteellisuusteorian muita seurauksia aikakäsitykselle. Hän käsitteli asiaa muun muassa surunvalittelukirjeessä läheisen ystävänsä Michele Besson perheelle tämän kuoleman jälkeen:

”Nyt Michele on lähtenyt tästä kummallisesta maailmasta vähän ennen minua. Se ei merkitse mitään. Meille, jotka uskomme fysiikkaan, ero tulevan, nykyisen ja menneen välillä on vain harhakäsitys, vaikkakin hyvin sitkeähenkinen harhakäsitys.”

Einstein ja Michele Besso tutustuivat opiskeluaikoinaan Zürichissä ja olivat läheisiä ystäviä Besson kuolemaan asti. Kirjeissään Bessolle Einstein pohti niin tieteellisiä teorioita ja maailmanpolitiikkaa kuin henkilökohtaisen elämän murheitaankin. Einsteinin ennustus omasta kuolemastaan, johon hän viittasi surunvalittelukirjeessään, toteutui vain neljä viikkoa myöhemmin 18. huhtikuuta 1955.

Vaikka Einstein lohdutti Besson perhettä sillä, että menneisyyden, nykyisyyden ja tulevaisuuden välillä ei oikeasti ollut eroa, asia ei ollut hänellekään ongelmaton. Einsteiniä kismitti se, että erityinen suhteellisuusteoria oli ristiriidassa ihmisten arkisen aikakäsityksen kanssa.

Einsteinin teoria hylkää ajatuksen objektiivisesta nykyhetkestä, koska pitkillä etäisyyksillä samanaikaisuuden käsite menettää merkityksensä. Kun välimatkat ovat lyhyitä, kuten arkitodellisuudessa, tapahtumien samanaikaisuus on keskeistä ajan hahmottamiselle.

Kun luet tätä lausetta kotona, saatat kokea, että samaan aikaan lapsesi pudottaa kahvikupin keittiön lattialle tai naapurin kaksossisarukset Lasse ja Liisa halaavat toisiaan pihalla ikkunasi alla pitkän eron jälkeen.

Kaikki tämä tapahtuu samassa nykyhetkessä. ja kaikki kolme tapahtumaa voidaan asettaa samalle suoralle ”nyt-linjalle” aika-akseliin nähden. Voidaan myös kuvitella, että samalla hetkellä kaukaisessa galaksissa miljardien valovuosien päässä on avaruusolio lukemassa kirjaa. Sekin tapahtuma asettuu samalle nyt-linjalle.

Ongelma syntyy, jos avaruusolio laittaakin kirjan sivuun ja lähtee vaikkapa polkupyörällä kohti sinua. Koska aika on liikkuville kohteille eri kuin paikallaan oleville, avaruusolion nyt-linja kääntyykin hieman eri kulmaan. Pyöräily on hidasta liikettä, joten kulman muutos on pieni, mutta kun etäisyys on pitkä, muutoksen vaikutus on suuri. Avaruusolion nyt-linja osuukin aika-akselilla eri kohtaan kuin sinun nyt-linjasi.

Ein­steinin teorioiden mukaan kaukaisen avaruusolion nykyisyydessä kokemat tapahtumat osuvat kohtaan, joka on sinun nyt-linjaasi nähden satoja vuosia menneisyydessä.
Jos taas avaruusolio kääntää pyöränsä ja lähtee polkemaan sinusta poispäin, käy päinvastoin. Sen nyt-linja osuu aika-akselin kohtaan, joka on sinusta katsottuna kaukana tulevaisuudessa.

Kun tapahtumien välillä on pitkä matka, ei siis ole järkevää puhua samanaikaisuudesta, koska se vaihtelee sen mukaan, mihin suuntaan ja millä nopeudella liikutaan. Kaikki galaksit, tähdet ja planeetat ovat liikkeessä eri suuntiin. Niinpä maailmankaikkeudessa ei ole objektiivista kaikille yhteistä nykyhetkeä eikä siten myöskään selvää eroa menneisyyden ja tulevaisuuden välillä.

Einstein oli hyvin tyytymätön siihen, mitä hänen teoriansa tekivät ajan luonteelle. Häntä harmittivat myös paljon pienempien etäisyyksien ilmiöt, joihin hän törmäsi kvanttimekaniikassa.

Suhteellisuusteoria vie meiltä vapaan tahdon

Suhteellisuusteoriassa ja kvanttimekaniikassa ei ole objektiivista nykyhetkeä, joka erottaa menneen ja tulevan. Kaikki aika on tasavertaista, eikä tulevaan voi vaikuttaa sen enempää kuin menneeseenkään.

  • ARJEN AIKA: tuleva on vapaa ja avoin

    IHMINEN ELÄÄ VAIN NYKYHETKESSÄ: Arjen aikakäsityksen mukaan vain nykyhetki on todellista. Esimerkiksi Maa ja Kuu ovat tietyssä asennossa toisiinsa nähden nyt, mutta sitä, missä asennossa ne olivat menneisyydessä, ei voi muuttaa, ja niiden asento tulevaisuudessa on vielä epävarma.

  • Relativitetsteorien tid

    SUHTEELLINEN AIKA: tuleva on lukittu

    KAIKKI AJAT OVAT YHTÄ TODELLISIA: Neliulotteisessa aika-avaruudessa, johon nykyiset fysiikan teoriat perustuvat, kaikki ajat ovat yhtä todellisia. Käsitteet menneisyys ja tulevaisuus menettävät merkityksensä, koska ei ole olemassa kaikille yhteistä nykyhetkeä eikä ajalla ole tiettyä suuntaa.

7. Pienet hiukkaset liikkuvat liian nopeasti

Atomia pienemmät hiukkaset, kuten elektronit ja fotonit, käyttäytyvät tavalla, joka panee arjen aikakäsityksen lujille.

Niillä on esimerkiksi kyky olla kahdessa olotilassa yhtä aikaa. Niiden pyörimissuunta eli niin sanottu spin voi olla yhtä aikaa oikea ja vasen. Suunta määräytyy vasta sillä hetkellä, kun spin mitataan. Lisäksi suunta näyttää määräytyvän täysin sattumanvaraisesti. Einstein ei voinut hyväksyä tällaista tilannetta. ”Jumala ei heitä noppaa”, hän totesi.

Lukuisat kokeet ovat kuitenkin osoittaneet, että alkeishiukkaset käyttäytyvät juuri näin.

Alkeishiukkaset ovat eräänlaisessa kaksoistilassa, kunnes mittaaminen pakottaa ne valitsemaan jommankumman. Kaiken lisäksi hiukkaset voivat olla ”lomittuneet” niin, että yhden hiukkasen tila vaikuttaa toisen tilaan. Jos tutkijat mittaavat toisen hiukkasen tilan ja sen spinin suunta on oikealle, toisen hiukkasen spin kääntyy saman tien vasemmalle.

Hiukkaset ovat siis yhteydessä toisiinsa. Kaikkein oudointa on se, että hiukkasten yhteys säilyy, vaikka ne olisivat kaukana toisistaan. Reaktionopeuskaan ei muutu.

Tästä seuraa ongelma, sillä periaatteessa minkään, edes tiedonsiirron, ei pitäisi voida ylittää valon nopeutta, joka on maailmankaikkeuden suurin mahdollinen nopeus. Tutkijat eivät ole pystyneet selittämään, miten alkeishiukkasten käyttäytyminen on mahdollista.

Toistaiseksi täytyy vain tyytyä toteamaan, että suhteellisuusteorian säännöt, jotka pätevät maailmankaikkeuden suurilla etäisyyksillä, eivät päde kvanttimekaniikan mikroskooppisen pienessä maailmassa.

Jokin aika sitten joukko yhdysvaltalaisia ja kanadalaisia tutkijoita esitti, että lomittuneet alkeishiukkaset pitävät yhteyttä palaamalla ajassa takaisin siihen kohtaan, jolloin ne olivat kiinni toisissaan. Ne käyvät vaihtamassa tietoja toistensa tilasta ja palaavat sitten nykyhetkeen. Tämä teoria tosin tuo mukanaan saman syy- ja seuraussuhteen sekoittumisen ongelman kuin kuvitteellinen aikamatkaaja, joka surmaa isovanhempansa.

Tutkijat vastaavat kritiikkiin toteamalla, että teoria voi päteä, jos aika-avaruus käsitetään niin sanotuksi lohkaremaailmankaikkeudeksi. Lohkaremaailmankaikkeus (englanniksi block universe) sisältäisi kaikki tapahtumat, joita maailmankaikkeuden olemassaolon aikana tapahtuu.

Lohkareessa aika on samanlainen ulottuvuus kuin kolme tilaulottuvuutta. Maailmankaikkeus olisi siis ikään kuin jäälohkare, jossa sisällä ovat kaikki universumin kappaleet ja tapahtumat kaikilta ajoilta, myös niiltä, jotka arkikäsityksen mukaan ovat menneisyyttä tai tulevaisuutta.

Samalla tavalla kuin aine voi sijaita eri kohdissa lohkaremaailmankaikkeuden tilaulottuvuuksia, se voi olla myös eri kohdissa aikaulottuvuutta. Tämä sopii suhteellisuusteoriaan ja kvanttimekaniikkaan. Niinpä lohkaremaailmankaikkeudessa ajalla ei ole tiettyä suuntaa.

Menneisyys ja tulevaisuus ovat tasavertaisia, ja nykyhetki, joka erottaa ne toisistaan, on vain harha, joka syntyy meidän aivoissamme, koska sijaitsemme tietyssä kohtaa aika-avaruutta. Tulevaisuus on siis tavallaan jo tapahtunut. Siinä mielessä ajatus lohkaremaailmankaikkeudesta ei ole kovin houkutteleva. Tulevaisuuteen ei voi vaikuttaa, koska nykyhetkeä ei oikeastaan ole.

Einsteinin mielestä nykyisyyden puute oli ongelma. Se oli ongelma myös Richard Mullerille, joka toivoi, että mustien aukkojen yhteentörmäyksen gravitaatioaallot auttaisivat häntä palauttamaan nykyhetken fysiikkaan.

  • Fysikeren Richard Muller

    "Aika ja tila ovat niin tiiviisti kiinni toisissaan, että jos luot lisää tilaa, luot myös lisää aikaa"

    Fyysikko Richard Muller. Kuvaus hänen omasta "ajan fysiikan" teoriastaan.

8. Aika kasvaa, kun avaruus laajenee

Vaikka suhteellisuusteoria tuhosi objektiivisen nykyhetken, se voi myös auttaa palauttamaan sen. Näin ainakin Richard Muller esittää teoriassaan.

”Avaruus ja aika ovat yleisessä suhteellisuusteoriassa niin tiukasti kiinni toisissaan, että jos syntyy lisää avaruutta, syntyy myös lisää aikaa.” Muller muistuttaa, että maailmankaikkeus laajenee koko ajan ja juuri sen laajeneminen luo ajan ja objektiivisen nykyhetken.

Mullerin teoriassa menneisyys on olemassa olevassa aika-avaruudessa, nykyhetki syntyy, kun avaruus laajenee, ja tulevaisuutta ei ole vielä. Teoria antaa ihmiselle vapaan tahdon takaisin. Tulevaisuuden tapahtumat riippuvat valinnoista, joita teemme siinä loputtomassa nyky­hetkien sarjassa, joka muuttuu menneisyydeksi. Mullerin mukaan me emme kulje kohti olemassa olevaa tulevaisuutta, vaan tulevaisuus koostuu nykyhetkistä, jotka eivät ole vielä syntyneet.

Kun kaksi mustaa aukkoa, joista toinen oli 29 ja toinen 36 kertaa Auringon kokoinen massaltaan, törmäsi toisiinsa ja sulautui yhteen, Muller pääsi testaamaan teoriaansa. Superraskaan sarjan kosminen tapahtuma kesti vain muutaman sekunnin sadasosan, ja sen seurauksena syntyi 62 kertaa Auringon kokoinen musta aukko, valtavasti säteilyä ja gravitaatioaaltoja, joita LIGO-ilmaisin havaitsi 14. syyskuuta 2015.

Muller kollegoineen uppoutui LIGO-fyysikoiden tuottamiin mittaustuloksiin ja laski niiden perusteella, että gravitaatioaallot olivat luoneet avaruuteen miljoonien kuutiokilometrien kokoisen paikallisen laajentuman. Samalla Mullerin teorian mukaan olisi pitänyt syntyä 0,0012 sekuntia lisää aikaa.

Aika-avaruutta voidaan verrata siihen, mitä tapahtuu, kun veteen heitetään kivi. Kivi saa aikaan renkaina eteneviä aaltoja, jotka laajentavat veden pintaa. Muller odotti, että aika-avaruuden laajeneminen viivästyttäisi viimeistä gravitaatioaaltoa suhteessa ensimmäisiin ­mitattuihin gravitaatioaaltoihin. Hänen harmikseen LIGO-ilmaisimen mittaukset olivat liian epävarmoja, joten niistä ei voida päätellä, pitääkö teoria paikkansa.

Muller uskoo silti, että menetelmä on oikea. Hän toivoo nyt, että LIGO-ilmaisin lähivuosina havaitsee uuden, vielä suurempien mustien aukkojen törmäyksen.

Jos Mullerin teoria pitää paikkansa, saamme kaikille yhteisen universaalin nykyhetken ja vahvistuksen sille, että ajan kulku ei ole vain ihmismielen harha.

Nykyhetki palaa ja aika saa taas suunnan

Kaksi fyysikkoa kehittelee teoriaa, joka toisi fysiikan ja arkiymmärryksen aikakäsitykset lähelle toisiaan. Se palauttaisi objektiivisen nykyhetken, erottaisi menneen ja tulevan ja antaisi ajalle suunnan.

  • Objektivt nu

    TEORIA 1 erottaa menneen ja tulevan

    AVARUUDEN LAAJENEMINEN LUO NYKYHETKEN: Fyysikko Richard Muller esittää, että ajan kulku on seurausta maailmankaikkeuden laajenemisesta. Kun syntyy lisää tilaa, syntyy myös lisää aikaa. Siksi on olemassa kaikille yhteinen nykyhetki ja ero menneen ja tulevan välillä.

  • TEORIA 2 antaa ajalle alun ja lopun

    KAIKKEUDEN KUOLEMA NOLLAA AJAN: Fyysikko Roger Penrose uskoo, että kun mustat aukot ovat nielleet kaiken maailmankaikkeuden massan ja jäljellä on vain säteilyä, aikaulottuvuus katoaa. Samanlainen tila oli maailmankaikkeuden syntyessä. Kaikkeus syntyykin uudestaan uudessa alkuräjähdyksessä.

9. Uusi teoria palauttaa ajalle alun

Siinä missä Muller haluaa palauttaa ajan kulun, hänen kollegansa haluaa takaisin ajan suunnan.

Kuuluisa brittiläinen fyysikko ja kosmologi Roger Penrose pitää kiinni entropian kasvun periaatteesta, mutta hän on sitä mieltä, että alkuräjähdysmallissa on ongelma. Niin sanotussa kosmisessa taustasäteilyssä, jossa näkyy aineen ja säteilyn jakauma pian alkuräjähdyksen jälkeen, entropian määrä on yllättävän suuri.

Penrosen mukaan taustasäteilyn suuri entropia on modernin kosmologian suurimpia arvoituksia, sillä se sotii sitä ajatusta vastaan, että kehitys maailmankaikkeudessa kulkee järjestyksestä kohti epäjärjestystä.

Arvoituksen ratkaisu voi Penrosen mukaan olla se, että alkuräjähdyksen jälkeen maailmankaikkeuden hiukkaset olivat niin kuumia, että niiden massalla ei ollut merkitystä kokonaisenergiaan nähden. Jos taas massa otetaan pois fysiikan yhtälöistä, ajallakaan ei ole merkitystä, koska silloin aika ei voi vaikuttaa mihinkään. Toisin sanoen: jos ei ole olemassa massaa, ei ole myöskään mitään, millä aikaa voidaan mitata.

”Varhainen maailmankaikkeus ei tuntenut kelloa”, kuten Penrose asian ilmaisee. Hänen mukaansa alku­räjähdyksen jälkeinen ajaton kausi oli samanlainen kuin se, miltä nykykäsityksen mukaan maailmankaikkeus joskus tulevaisuudessa näyttää, kun mustat aukot ovat nielleet kaiken massan ja sitten haihtuneet niin, että jäljellä on vain säteilyä.

Maailmankaikkeus on taas ilman aikaa ja massaa, minkä seurauksena myös koon käsite menettää merkityksensä. Silloin maailmankaikkeus ei siis tunne kelloa eikä mittanauhaa.

Penrose esittääkin, että ”suuri vanha maailmankaikkeus” on loppujen lopuksi sama kuin ”uusi nuori maailmankaikkeus” ja maailmankaikkeus siten nollaa ajan ja syntyy uudestaan uudessa alkuräjähdyksessä. Jos teoria pitää paikkansa, nykyinen maailmankaikkeus on yksi ehkä loputtomassa maailmankaikkeuksien ketjussa. Teoria antaisi ajalle sekä alun että lopun. Penrose uskoo, että teorialle voidaan löytää vahvistus taustasäteilystä ja gravitaatioaalloista.

Penrosen ajatus kulkee niin, että edellisessä universumissa oli loppuvaiheessa valtavia mustia aukkoja, joiden törmäyksien gravitaatioaallot jättivät jälkeensä avaruuteen samanlaisen kuvion kuin sadepisarat järven pintaan. Vielä kun sade on loppunut, järven pinnassa näkyy pienten aaltojen kuvio. Samanlainen kuvio on ehkä jäänyt gravitaatioaalloista kosmiseen taustasäteilyyn, kun mustat aukot ovat kadonneet.

Jos tällainen kuvio löytyy, Penrose jää historiaan tutkijana, joka palautti ajalle suunnan ja antoi vastauksen kysymykseen: mitä oli ennen alkuräjähdystä?

Katso brittiprofessori Roger Penrosen haastattelu, jossa hän selittää, mitä tapahtui, ennen kuin aika syntyi, ja mitä tulee tapahtumaan, kun se loppuu. Penrose esittää teoriansa siitä, että hyvin nuori ja erittäin vanha universumi ovat itse asiassa identtisiä ja että kuoleva universumi siksi synnyttää itsensä uudelleen.

Lue myös:

suhteellisuusteoria
Suhteellisuusteoria

Ymmärrä suhteellisuusteoria 9 minuutissa

9 minuuttia
Einstein liitutaulu
Suhteellisuusteoria

Einstein pani ajan ja avaruuden kaarelle

7 minuuttia
Einstein nuorena
Suhteellisuusteoria

Äly ehti leiskua luppoajalla

5 minuuttia
Suosituimmat

Kirjaudu sisään

Virhe: Tarkista sähköpostiosoite
Salasana vaaditaan
NäytäPiilota

Oletko jo tilaaja? Oletko jo lehden tilaaja? Napsauta tästä

Uusi käyttäjä? Näin saat käyttöoikeuden!